离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用
目前, 节能降耗已成为全国各行各业, 特别是高耗能企业的重要任务。我国已把节能降耗提到了国民经济发展非常重要的位置。离心泵是把原动机的机械能通过离心泵叶轮产生的离心力使液体产生动能, 从而达到输送液体的目的, 它广泛应用于国民经济的各个领域。因此, 通过优化离心泵的性能做好离心泵的节能工作, 是节能降耗中至关重要的一环。
1．三元流技术概述
我国离心泵多年来一直采用一元流理论设计离心泵叶轮, 它的设计理念是假定进出口流通截面及流道内部任何流通截面的水流分布是均匀的, 而流速仅为一个自变量的函数。据此而设计出叶片的几何形状, 制作出多种模型进行试验, 择优选用。由于离心泵在不同工况下其流量、压力变化范围很大, 而这种叶轮的模型只能是有限的数种, 因而无法保证优选模型与实际工况一致。这就导致离心泵叶轮偏离设计最佳效率点, 进而影响泵的实用效率。
我国科学家吴仲华教授创立的 S1、S2两类流面概念, 奠定了叶轮机械三元流动理论的基础, 中科院研究员刘殿魁教授于 1986年提出了叶轮机械内“射流-尾迹的完全三元流”的解法。应用这一计算方法对叶轮流道进行设计, 有效地解决了尾迹区的影响, 提高了叶轮的水力效力, 同时增大了有效流通面积, 提高了离心泵的工作效率。
离心泵的水力效率受水泵叶轮的进口轮径、出口轮径、轮毂比、子午流道的曲率变化、叶型中心线的形状、叶片厚度分布、安装角、进口角、出口角及泵的工作流量、压力变化等多种因素的影响。而根据“射流-尾迹三元流动”理论结合离心泵的实际流量、扬程等参数设计制作的高效三元流叶轮, 在不变动泵体安装结构的情况下, 换装于原泵体内。以投资最少, 见效最快的技改方式, 达到节能降耗的目的。
2．三元流技术原理
三元流技术, 实质上就是通过使用先进的泵设计软件，结合生产现场实际的运行工况, 重新进行泵内水力部件(主要是叶轮 )的优化设计。
具体 步骤是: 先对在用离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试, 并提出常年运行的工艺参数要求, 作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮, 保证可以和原型互换, 在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的目标。
2.1 一元、三元流动基本概念
下页图 1左边是叶轮的局部视图, 右边是把叶轮内两个相邻叶片和前、后盖板形成的流道 abcdefgh 作为一个计算分析研究的单元。 aehd、bfg c是两个相邻的叶片, dcnghid 是叶轮前盖板, bkf eja 是叶轮后盖板。传统的一元流理论就是把叶轮内的曲形流道 abcd efgh, 视为一个截面变化的弯曲流管,认为沿流线的流速大小仅随截面大小而变化, 但假定在每个横断面上如 abcd、ijkn、efgh 等, 流速是相同的。这样在流体力学计算中, 流动速度(W)就只是流线长度坐标(S)的一元函数。这种简化使泵内部流体力学的计算可以用手工算法得以实现。国内采用的双吸水平中开泵, 就是采用这种理论设计的。
图 1 叶轮、圆柱坐标 (R、Φ、Z) 及流动速度 X
然而由于叶轮流道 abcdefgh的三元曲线形状又是高速旋转的, 流速 (或压力 ) 不但沿流线变化, 而且沿横截面 abcd, ijkn、efgh 等等, 任何一点都是不相同的, 即流速是三元空间圆柱坐标 ( R、Φ、Z 的函数 )。特别是叶片数也是有限的, 流速和压力沿旋转周向 (Φ坐标 )的变化, 正是水泵向流体输入功的最终体现。忽略这一点就无法计算水泵内部的压力变化, 这也就是为什么一元流动理论只能计算叶轮进口、出口参数, 而不能准确分析叶轮内部流动参数的原因。水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可分的, 一元流理论固然简单,但不能完全反映泵内的真实流动, 这就在设计上阻碍了泵效率的提高。
2.2 射流-尾迹三元流动
最早在航空用离心压气机中, 用激光测速技术观察到射流-尾迹现象, 如图 2 所示, 弧状弯曲线 dh 和 cg 分别代表两个相邻的叶片, dc为叶片进口边, hg 为叶片出口边, w1为叶片进口流速, w2为叶片出口流速, 都是不均匀的。t是流动分离点, htv即是尾迹区, 是一些低能量流体组成, 类似一个旋涡。cdtvg 则是射流区可视为无黏性的位流区, 可按通常的三元流计算。
图 2 射流-尾迹模型
下面把差别较大的几点加以描述:
如图 3所示, 叶轮的子午流道形状, 对应于图 1中的叶片位置, 依次为进口、出口、叶轮前盖板内壁型线、叶轮后盖板壁面型线。实线为三元流叶轮, 虚线为传统一元流叶轮。前者轴向向进口方向延伸,轴向宽度大, 造成流动损失尽可能小的进口条件, 使泵的效率和气蚀性能得以改善。
图 3 叶片形状的差别
叶片在垂直轴线 Z 的平面上投影为 adh 曲面,由于Φ角的改变可以看到三元流叶片扭曲显著, 而一元流叶片 a 1、d 1、h则扭曲度小, 有 时 a1 与 d 1 重合, 叶片完全不扭曲, 而只是一个板式弯曲形叶片,我们称之为直叶片。当然, 针对具体的设计, 三元流设计的叶片进出口尺寸可能与一元流均不同, 甚至叶片数目也不相同, 不一一描述。
3．水泵改造方式的比较
叶轮是水泵的心脏, 它决定了泵的扬程、效率的绝大部分, 泵体的影响较小。对于在用泵, 结合其在用的流量、扬程及泵体, 设计出可互换的高效率三元流叶轮, 换装在原泵体内, 这是投入最少、简单易行、见效最快的改造方式。
在实际生产运行中, 由于离心泵不符合使用要求,
往往采用切割叶轮的方式来
解决。这种方法实际上是减少了泵的流量和扬程, 此时电机功率会减少。但由于流量的减少, 离心泵的水力效率下降, 单耗增大, 并没有起到节能的目的。而目前推广的变频调速方案, 是通过降低频率来降低电机、离心泵转速, 从而使离心泵的流量和扬程下降, 以减少电机功率损耗和阀门节流损失, 达到一定的节能目的, 离心泵的水力效率并没有得到提高。且投资大, 使用、维护费用较高, 适宜于工况变化频繁的情况下使用。
4．结论
经过上面的理论介绍与分析, 以及改造实例, 证明射流-尾迹三元流动理论在水泵设计方面具有显著优势, 通过此技术直接对水泵的叶轮改造, 不但能够提高水泵的运行效率, 实现节能: 而且可以实现在保证电机不超载的情况下, 改变扬程, 大幅提高流量的技术目标。
水泵制造厂对在用泵不符合使用要求时, 可以采用的方式只有切割叶轮, 或整体更换新泵。切割叶轮是对流量、扬程都减少时使用的方法。此时电机功率会减少, 人们往往以为这样是节能了。但要知道由于流量的减少, 单耗 (吨水电耗 )不但不减,有时还会增大, 因此水泵自身的水力效率是下降的。换装新泵, 由于管路、底座甚至电路、电机都要改变,不但周期长, 投资大, 不是万不得已不宜采用。特别是对于要求泵扬程减少, 流量增大, 或扬程、流量都在电机许用功率条件下一起增大的情况, 切割叶轮是无法应用的。
综上所述, 对在用的水泵, 使用三元流动理论设计高效率可互换的叶轮, 无论对工频泵或变频泵都是行之有效的节能技改方案, 其投入产出比最优。
5. 改造实例
5.1 项目简介
2010年5月，对玉溪汇溪金属铸造制
品有限公司（汇钢）厂区内重点能耗设备进
行了节能检测（主要是制氧厂、轧钢厂、炼
钢厂、炼铁厂内），根据检测数据，提出了
检测报告及可行性节能改造方案。与汇钢于
2010年8月成功签订关于“水泵叶轮节能
改造服务”的工矿产品/服务购销合同后，
又于2010年12月续签二期节能改造合同。采用 “射流—尾迹三元流动理论”水泵高效节能技术，一期项目对10
台循环泵采用三元流技术进行改造，二期项
目对2台高压循环泵进行安全及节能改造。
5.2 改造效果
5.2.1 一期改造项目
说明：1、年节电量 ：其中运行时间按照11个月（335天）计算。
2、电价按0.5元/度计算。
5.2.2 二期改造项目
炼钢厂6#方坯结晶器的2台KQSN300-N4/665(T)高压循环水泵（1用1备），改造前泵配用电机严重过流，电机过度发热，随时有被烧坏的可能。汇钢曾邀请电机和水泵厂家分析，厂家技术员提出了更换电机、水泵的方案，但该方案直接影响汇钢的生产、更换工作量大、且一次性投资高。我公司检测、分析该泵组的运行情况后，提出了采用“射流—尾迹三元流动理论” 进行设计、改造的解决方案。
管网结构图
采用我公司 “射流—尾迹三元流动理论” 进行节能改造，在不动设备基础、管路和电机的情况下，确保改造后流量、扬程满足生产工况需求的前提下，既解决了电机过流、发热严重的问题，还取得预期的节能效果：
附件：图片
炼钢厂泵房 炼铁厂泵房
原形叶轮拆卸
三元流叶轮安装
离心水泵叶轮的三元流技术原理及应用
目前, 节能降耗已成为全国各行各业, 特别是高耗能企业的重要任务。我国已把节能降耗提到了国民经济发展非常重要的位置。离心泵是把原动机的机械能通过离心泵叶轮产生的离心力使液体产生动能, 从而达到输送液体的目的, 它广泛应用于国民经济的各个领域。因此, 通过优化离心泵的性能做好离心泵的节能工作, 是节能降耗中至关重要的一环。
1．三元流技术概述
我国离心泵多年来一直采用一元流理论设计离心泵叶轮, 它的设计理念是假定进出口流通截面及流道内部任何流通截面的水流分布是均匀的, 而流速仅为一个自变量的函数。据此而设计出叶片的几何形状, 制作出多种模型进行试验, 择优选用。由于离心泵在不同工况下其流量、压力变化范围很大, 而这种叶轮的模型只能是有限的数种, 因而无法保证优选模型与实际工况一致。这就导致离心泵叶轮偏离设计最佳效率点, 进而影响泵的实用效率。
我国科学家吴仲华教授创立的 S1、S2两类流面概念, 奠定了叶轮机械三元流动理论的基础, 中科院研究员刘殿魁教授于 1986年提出了叶轮机械内“射流-尾迹的完全三元流”的解法。应用这一计算方法对叶轮流道进行设计, 有效地解决了尾迹区的影响, 提高了叶轮的水力效力, 同时增大了有效流通面积, 提高了离心泵的工作效率。
离心泵的水力效率受水泵叶轮的进口轮径、出口轮径、轮毂比、子午流道的曲率变化、叶型中心线的形状、叶片厚度分布、安装角、进口角、出口角及泵的工作流量、压力变化等多种因素的影响。而根据“射流-尾迹三元流动”理论结合离心泵的实际流量、扬程等参数设计制作的高效三元流叶轮, 在不变动泵体安装结构的情况下, 换装于原泵体内。以投资最少, 见效最快的技改方式, 达到节能降耗的目的。
2．三元流技术原理
三元流技术, 实质上就是通过使用先进的泵设计软件，结合生产现场实际的运行工况, 重新进行泵内水力部件(主要是叶轮 )的优化设计。
具体 步骤是: 先对在用离心泵的流量、压力、电机耗功等进行测试, 并提出常年运行的工艺参数要求, 作为泵的设计参数；再使用泵设计软件设计出新叶轮, 保证可以和原型互换, 在不动管路电路、泵体等条件下实现节能或扩大生产能力的目标。
2.1 一元、三元流动基本概念
下页图 1左边是叶轮的局部视图, 右边是把叶轮内两个相邻叶片和前、后盖板形成的流道 abcdefgh 作为一个计算分析研究的单元。 aehd、bfg c是两个相邻的叶片, dcnghid 是叶轮前盖板, bkf eja 是叶轮后盖板。传统的一元流理论就是把叶轮内的曲形流道 abcd efgh, 视为一个截面变化的弯曲流管,认为沿流线的流速大小仅随截面大小而变化, 但假定在每个横断面上如 abcd、ijkn、efgh 等, 流速是相同的。这样在流体力学计算中, 流动速度(W)就只是流线长度坐标(S)的一元函数。这种简化使泵内部流体力学的计算可以用手工算法得以实现。国内采用的双吸水平中开泵, 就是采用这种理论设计的。
图 1 叶轮、圆柱坐标 (R、Φ、Z) 及流动速度 X
然而由于叶轮流道 abcdefgh的三元曲线形状又是高速旋转的, 流速 (或压力 ) 不但沿流线变化, 而且沿横截面 abcd, ijkn、efgh 等等, 任何一点都是不相同的, 即流速是三元空间圆柱坐标 ( R、Φ、Z 的函数 )。特别是叶片数也是有限的, 流速和压力沿旋转周向 (Φ坐标 )的变化, 正是水泵向流体输入功的最终体现。忽略这一点就无法计算水泵内部的压力变化, 这也就是为什么一元流动理论只能计算叶轮进口、出口参数, 而不能准确分析叶轮内部流动参数的原因。水泵的效率显然与其内部流动状况的好坏是密不可分的, 一元流理论固然简单,但不能完全反映泵内的真实流动, 这就在设计上阻碍了泵效率的提高。
2.2 射流-尾迹三元流动
最早在航空用离心压气机中, 用激光测速技术观察到射流-尾迹现象, 如图 2 所示, 弧状弯曲线 dh 和 cg 分别代表两个相邻的叶片, dc为叶片进口边, hg 为叶片出口边, w1为叶片进口流速, w2为叶片出口流速, 都是不均匀的。t是流动分离点, htv即是尾迹区, 是一些低能量流体组成, 类似一个旋涡。cdtvg 则是射流区可视为无黏性的位流区, 可按通常的三元流计算。
图 2 射流-尾迹模型
下面把差别较大的几点加以描述:
如图 3所示, 叶轮的子午流道形状, 对应于图 1中的叶片位置, 依次为进口、出口、叶轮前盖板内壁型线、叶轮后盖板壁面型线。实线为三元流叶轮, 虚线为传统一元流叶轮。前者轴向向进口方向延伸,轴向宽度大, 造成流动损失尽可能小的进口条件, 使泵的效率和气蚀性能得以改善。
图 3 叶片形状的差别
叶片在垂直轴线 Z 的平面上投影为 adh 曲面,由于Φ角的改变可以看到三元流叶片扭曲显著, 而一元流叶片 a 1、d 1、h则扭曲度小, 有 时 a1 与 d 1 重合, 叶片完全不扭曲, 而只是一个板式弯曲形叶片,我们称之为直叶片。当然, 针对具体的设计, 三元流设计的叶片进出口尺寸可能与一元流均不同, 甚至叶片数目也不相同, 不一一描述。
3．水泵改造方式的比较
叶轮是水泵的心脏, 它决定了泵的扬程、效率的绝大部分, 泵体的影响较小。对于在用泵, 结合其在用的流量、扬程及泵体, 设计出可互换的高效率三元流叶轮, 换装在原泵体内, 这是投入最少、简单易行、见效最快的改造方式。
在实际生产运行中, 由于离心泵不符合使用要求,
往往采用切割叶轮的方式来
解决。这种方法实际上是减少了泵的流量和扬程, 此时电机功率会减少。但由于流量的减少, 离心泵的水力效率下降, 单耗增大, 并没有起到节能的目的。而目前推广的变频调速方案, 是通过降低频率来降低电机、离心泵转速, 从而使离心泵的流量和扬程下降, 以减少电机功率损耗和阀门节流损失, 达到一定的节能目的, 离心泵的水力效率并没有得到提高。且投资大, 使用、维护费用较高, 适宜于工况变化频繁的情况下使用。
4．结论
经过上面的理论介绍与分析, 以及改造实例, 证明射流-尾迹三元流动理论在水泵设计方面具有显著优势, 通过此技术直接对水泵的叶轮改造, 不但能够提高水泵的运行效率, 实现节能: 而且可以实现在保证电机不超载的情况下, 改变扬程, 大幅提高流量的技术目标。
水泵制造厂对在用泵不符合使用要求时, 可以采用的方式只有切割叶轮, 或整体更换新泵。切割叶轮是对流量、扬程都减少时使用的方法。此时电机功率会减少, 人们往往以为这样是节能了。但要知道由于流量的减少, 单耗 (吨水电耗 )不但不减,有时还会增大, 因此水泵自身的水力效率是下降的。换装新泵, 由于管路、底座甚至电路、电机都要改变,不但周期长, 投资大, 不是万不得已不宜采用。特别是对于要求泵扬程减少, 流量增大, 或扬程、流量都在电机许用功率条件下一起增大的情况, 切割叶轮是无法应用的。
综上所述, 对在用的水泵, 使用三元流动理论设计高效率可互换的叶轮, 无论对工频泵或变频泵都是行之有效的节能技改方案, 其投入产出比最优。
5. 改造实例
5.1 项目简介
2010年5月，对玉溪汇溪金属铸造制
品有限公司（汇钢）厂区内重点能耗设备进
行了节能检测（主要是制氧厂、轧钢厂、炼
钢厂、炼铁厂内），根据检测数据，提出了
检测报告及可行性节能改造方案。与汇钢于
2010年8月成功签订关于“水泵叶轮节能
改造服务”的工矿产品/服务购销合同后，
又于2010年12月续签二期节能改造合同。采用 “射流—尾迹三元流动理论”水泵高效节能技术，一期项目对10
台循环泵采用三元流技术进行改造，二期项
目对2台高压循环泵进行安全及节能改造。
5.2 改造效果
5.2.1 一期改造项目
说明：1、年节电量 ：其中运行时间按照11个月（335天）计算。
2、电价按0.5元/度计算。
5.2.2 二期改造项目
炼钢厂6#方坯结晶器的2台KQSN300-N4/665(T)高压循环水泵（1用1备），改造前泵配用电机严重过流，电机过度发热，随时有被烧坏的可能。汇钢曾邀请电机和水泵厂家分析，厂家技术员提出了更换电机、水泵的方案，但该方案直接影响汇钢的生产、更换工作量大、且一次性投资高。我公司检测、分析该泵组的运行情况后，提出了采用“射流—尾迹三元流动理论” 进行设计、改造的解决方案。
管网结构图
采用我公司 “射流—尾迹三元流动理论” 进行节能改造，在不动设备基础、管路和电机的情况下，确保改造后流量、扬程满足生产工况需求的前提下，既解决了电机过流、发热严重的问题，还取得预期的节能效果：
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炼钢厂泵房 炼铁厂泵房
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三元流叶轮安装